DE19801484B4

DE19801484B4 - Meßelement und damit ausgerüsteter Luftmassenmesser

Info

Publication number: DE19801484B4
Application number: DE19801484A
Authority: DE
Inventors: Masamichi Hitachinaka Yamada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2018-01-17
Also published as: JPH10197309A; CN1197200A; US6209402B1; DE19801484A1; KR19980070520A; KR100488213B1; CN1165749C; JP3366818B2

Abstract

Messelement für einen Luftmassenmesser mit
– einem Lufttemperatursensor (4b) zum Messen einer Lufttemperatur einer Luftströmung (9),
– einem Substrat (2), auf dem ein Heizwiderstand (3) zum Messen einer Luftströmungsmasse der Luftströmung (9) und der Lufttemperatursensor (4b) vorgesehen sind, und
– einem Gehäuse (12, 12a), durch das das Substrat (2) festgelegt ist, wobei der Lufttemperatursensor (4b) und der Heizwiderstand (3) in der Luftströmung (9) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf dem Substrat (2) ein Temperatursensor (5) zum Messen einer Substrattemperatur vorgesehen ist, wobei der Temperatursensor (5) innerhalb des Gehäuses (12, 12a) und außerhalb der Luftströmung (9) angeordnet ist und die Substrattemperatur zur Korrektur der gemessenen Luftströmungsmasse verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßelement für einen Luftmassenmesser sowie einen damit ausgerüsteten Luftmassenmesser und insbesondere eine Vorrichtung, die die von einem Verbrennungsmotor angesaugte Luftmasse messen kann.

Im Stand der Technik wird derzeit als Luftmengenmesser, der in einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzanlage für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen und dergleichen zum Messen der Ansaugluftmenge vorgesehen ist, meist ein thermischer Luftmassenmesser verwendet, der die Luftmasse direkt erfassen kann. Das Hauptaugenmerk ist auf einen Luftmassenmesser sowie ein hierfür verwendetes Meßelement gerichtet worden, das mit einer Halbleitermikrobearbeitungstechnik hergestellt wird, die ermöglicht, die Kosten zu reduzieren und das Element mit niedriger elektrischer Leistung zu betreiben. Ein Luftmassenmesser, in dem das herkömmliche Halbleitersubstrat verwendet wird, ist aus der JP 60-142268-A (1985) be kannt. Diese Technik legt den Schwerpunkt auf die Verringerung der Herstellungskosten.

Daher wird in dem obenerwähnten Stand der Technik eine Luftmassen-Temperatur-Kennlinie bei der Messung der Ansaugluftmenge nicht betrachtet, weshalb das Problem entsteht, daß die Genauigkeit der Messung der Luftmasse unzureichend ist.

Das Problem bei der Technik, die aus der JP 60-142268-A bekannt ist, wird im folgenden mit Bezug auf 16 erläutert. 16 ist eine Draufsicht des herkömmlichen Meßelements eines Luftmassenmessers, die der 2 dieser obenerwähnten Anmeldung entspricht. In 16 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Meßelement des herkömmlichen Luftmassenmessers. Das Meßelement besitzt zwei Brücken 23a und 23b, die durch einen Isolierfilm gebildet sind, und Überbrückungslufträume 22a, 22b und 22c, die durch anisotropes Ätzen eines Halbleitersubstrats wie etwa eines Siliciumsubstrats gebildet werden. Die Brücke 23a ist in bezug auf die Luftströmung stromaufseitig angeordnet, während die Brücke 23b stromabseitig angeordnet ist.

Ein Heizwiderstand 20 ist so angeordnet, daß sich zwischen ihm der Luftraum 22c befindet, dessen Öffnung sich zwischen den beiden Brücken 23a und 23b befindet. Zu beiden Seiten des Heizwiderstandes 20 sind Temperaturerfassungswiderstände 21a und 21b angeordnet. Ferner ist in einem Abschnitt stromaufseitig vom Luftraum 22a ein Lufttemperaturkompensationswiderstand 4a angeordnet. Da die Lufträume 22a, 22b und 22c durch anisotropes Ätzen des Halbleitersubstrats durch den Öffnungsabschnitt des elektrisch isolierenden Films gebildet werden, sind sie unterhalb der Brücken 23a und 23b miteinander verbunden. In einem derartigen Luftmassenmesser wird der Heizwider stand 20 auf eine Temperatur erhitzt, die um einen vorgegebenen Wert höher als die Lufttemperatur ist, die durch den Temperaturkompensationswiderstand 4a bestimmt wird. Die Luftmasse wird anhand der Temperaturdifferenz gemessen, die zwischen dem stromaufseitigen Temperaturerfassungswiderstand 21a und dem stromabseitigen Temperaturerfassungswiderstand 21b auftritt und durch die Kühlungswirkung des Luftstroms verursacht wird.

In dem obenbeschriebenen herkömmlichen Aufbau wird die Temperaturänderung der Ansaugluft nur durch eine Brückenschaltung kompensiert, die aus dem Temperaturkompensationswiderstand 4a und dem Heizwiderstand 20 konstruiert ist. Das heißt, daß in dieser herkömmlichen Technik temperaturbedingte Änderungen der physikalischen Eigenschaften der Luft, d. h. der Dichte, der dynamischen Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit, nicht betrachtet wird. Daher kann eine geeignete Luftmassen-Lufttemperatur-Kennlinie nicht erhalten werden. Ferner wird in dem Fall, in dem der Sensor unter harten Umgebungsbedingungen wie etwa jenen eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, die Wärme aufgrund eines Anstiegs der Temperatur des Verbrennungsmotors zum Heizwiderstand 20, zum Temperaturkompensationswiderstand 4 und zu den Temperaturerfassungswiderständen 21a, 21b geleitet, was sich auf die Genauigkeit der Messung nachteilig auswirkt. Dieses Problem kann im Stand der Technik nicht gelöst werden.

Die DE 40 22 024 C2 zeigt ein Verfahren zur Verbesserung des Ansprechverhaltens eines thermischen Strömungssensors, bei dem Widerstände R_K, R_H und R_M vorgesehen sind. Zur Erhöhung der Ansprechverzögerung wird eine zu erwartende Temperatur an einem Repräsentativpunkt eines Stützkörpers des Heizwiderstands berechnet und zur Ermittlung einer Korrekturströmungsmenge verwendet.

Die DE 42 19 454 A1 betrifft einen Massenflußsensor mit einem Referenztemperaturfühler, der auf einem Substrat vorgesehen ist, wobei das Substrat in einem Anströmkanal angeordnet ist. Das Substrat enthält weiterhin einen Temperaturfühler und ein Heizelement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßelement für einen Luftmassenmesser sowie einen damit ausgerüsteten Luftmassenmesser zu schaffen, der die Luftmasse mit hoher Genauigkeit messen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Meßelement und einen damit ausgerüsteten Luftmassenmesser, die die in den entsprechenden unabhängigen Ansprü chen angegebenen Merkmale besitzen. Die abhängigen Ansprüche sind auf zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gerichtet.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist in einem Meßelement für einen Luftmassenmesser ein Temperatursensor zur Erfassung einer die Wärmezufuhr in einen Heizwiderstand angebenden typischen Temperatur auf einem Wärmeübertragungspfad von einem Konfigurationselement ausgebildet, welches ein Substrat trägt, auf dem der Heizwiderstand zum Messen der Luftmasse ausgebildet ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Meßelement für einen Luftmassenmesser versehen mit einem Temperatursensor zur Erfassung einer die Wärmezufuhr in einen Heizwiderstand angebenden typischen Temperatur, der auf einem Wärmeübertragungspfad von einem Konfigurationselement ausgebildet ist, welches ein Substrat trägt, auf dem der Heizwiderstand zum Messen der Luftmasse ausgebildet ist, und mit einem Lufttemperatursensor zur Erfassung der Lufttemperatur, der auf dem Substrat außerhalb der Luftströmung ausgebildet ist, die mit dem Heizwiderstand in Kontakt gelangt.

Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Luftmassenmesser ein Meßelement, das einen Temperatursensor zur Erfassung einer die Wärmezufuhr in einen Heizwiderstand angebenden typischen Temperatur, der auf einem Wärmeübertragungspfad von einem Konfigurationselement ausgebildet ist, welches ein Substrat trägt, auf dem der Heizwiderstand zum Messen der Luftmasse ausgebildet ist; eine Operationsschaltung zum Liefern eines Stroms an das Meßelement und zum Erfassen eines die Luftmasse angebenden Signals; eine Steuerschaltung zum Berechnen der Luftmasse auf der Grundlage des die Luftmasse angebenden Signals; sowie einen Speicher zum Spei chern von Kompensationsdaten für eine Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie. Die Steuerschaltung kompensiert die Luftmasse unter Verwendung der Kompensationsdaten und der typischen Temperatur, die von dem Temperatursensor erhalten wird.

Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung besitzt ein Luftmassenmesser ein Meßelement, das versehen ist mit einem Temperatursensor zur Erfassung einer die Wärmezufuhr in einen Heizwiderstand angebenden typischen Temperatur, der auf einem Wärmeübertragungspfad von einem Konfigurationselement ausgebildet ist, welches ein Substrat trägt, auf dem der Heizwiderstand zum Messen der Luftmasse ausgebildet ist; einer Operationsschaltung zum Liefern eines Stroms an das Meßelement und zum Erfassen eines die Luftmasse angebenden Signals; einer Steuerschaltung zum Berechnen der Luftmasse auf der Grundlage des die Luftmasse angebenden Signals; und einem Speicher zum Speichern von Kompensationsdaten für eine Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie und eine Luftmassen-Lufttemperatur-Kennlinie. Die Steuerschaltung kompensiert die Luftmasse unter Verwendung der Kompensationsdaten, der vom Lufttemperatursensor erhaltenen Lufttemperatur und der vom Temperatursensor erhaltenen typischen Temperatur.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:
1 eine Draufsicht eines Meßelements für einen Luftmassenmesser gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
2 eine Schnittansicht längs der Linie A-A' des Luftmassenmessers nach 1;
3 eine Schnittansicht des Luftmassenmessers gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
4 eine vergrößerte Ansicht des Meßelementteils nach 3;
5 eine Schnittansicht längs der Linie B-B' des Meßelementteils nach 4;
6 einen Blockschaltplan der Schaltung des Luftmassenmessers gemäß der Erfindung;
7 einen Schaltplan einer Schaltung zum Messen der Luftmasse, die in dem Luftmassenmesser gemäß der ersten Ausführung der Erfindung verwendet wird;
8 einen Schaltplan einer Schaltung zum Messen der Temperatur, die in dem Luftmassenmesser gemäß der ersten Ausführung der Erfindung verwendet wird;
9 eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Abschnitt des Meßelements nach 1 und der Temperaturverteilung längs der Linie B-B' des Meßelements;
10 Graphen zur Erläuterung der Substrattemperatur-Korrektur bzw. der Lufttemperatur-Korrektur;
11 eine Draufsicht eines Meßelements für einen Luftmassenmesser gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;
12 einen Schaltplan einer Schaltung zum Messen der Luftmasse, die in dem Luftmassenmesser gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung verwendet wird;
13 einen weiteren Schaltplan einer Schaltung zum Messen der Luftmasse, die in dem Luftmassenmesser gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung verwendet wird;
14 eine Draufsicht eines Meßelements für einen Luftmassenmesser gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung;
15 einen Schaltplan einer Schaltung zum Messen einer Luftmasse, die in dem Luftmassenmesser gemäß der dritten Ausführung der Erfindung verwendet wird; und
16 die bereits erwähnte Draufsicht eines herkömmlichen Meßelements für einen Luftmassenmesser.
In allen Figuren bezeichnen entsprechende Bezugszeichen und Symbole gleiche oder äquivalente Teile, soweit nichts anderes angegeben ist.
1 ist eine Draufsicht eines Meßelements für einen Luftmassenmesser gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A' des Luftmassenmessers nach 1. In den 1 und 2 enthält das Meßelement 1 ein Halbleitersubstrat 2 aus Silicium, in dem von seiner unteren Oberfläche bis zu einer Grenzfläche eines Isolierfilms 7a durch anisotropes Ätzen ein Luftraum 6 ausgebildet ist, einen Heizwiderstand 3, der auf dem Isolierfilm 7a über dem Luftraum 6 ausgebildet ist, einen Temperaturkompensationswiderstand 4a, der zusammen mit dem Heizwiderstand 3 eine Brückenschaltung bildet, um die Lufttemperatur zu messen, einen Lufttemperatursensor oder zweiten Temperatursensor 4b, der im oberen Abschnitt des Substrats 2 ausgebildet ist, um die Luft- oder Ansauglufttemperatur zu messen, Anschlußelektroden 8a bis 8h, einen Substrattemperatursensor oder ersten Temperatursensor 5, der zwischen dem Heizwiderstand 3 und der Anschlußelektrode 8 ausgebildet ist, um die Temperatur eines Unterstützungsabschnitts 2a oder des Substrats in dem Unterstützungsabschnitt 2a zu messen, bei dem das Substrat 2 von einem weiteren Konfigurationselement unterstützt wird, sowie einen Isolierfilm 7b für den Schutz der einzelnen Widerstände.
In einer derartigen Konfiguration fließt zum Heizwiderstand 3 ein Heizstrom, so daß dessen Temperatur um einen vorgegebenen Wert höher ist als jene des Temperaturkompensationswiderstandes 4a, der oberhalb eines Durchlasses für die Luftströmung 9 angeordnet ist. Die Luftmasse wird auf der Grundlage der Kühlungswirkung des Heizwiderstandes 3 durch die Luftströmung 9 anhand des Wertes des in den Heizwiderstand 3 fließenden Stroms gemessen. Der Isolierfilm 7 in der Umgebung des Luftraums 6 und des Heizwiderstandes 3 ist dazu vorgesehen, die Genauigkeit der Messung aufrechtzuerhalten, indem er eine Wärmeübertragung vom Heizwiderstand 3 an das Substrat 2 verhindert.
Wie in 1 gezeigt ist, sind der Temperaturkompensationswiderstand 4a und der zweite Temperatursensor 4b im oberen Teil des Substrats 2 auf einem in den Luftströmungsdurchlaß vorstehenden Abschnitt angeordnet. Im Ergebnis beeinflußt der Heizwiderstand 3 die erwärmte Luftströmung 9 nicht, weder die Vorwärtsströmung noch die Rückwärtsströmung. Da der zweite Temperatursensor 4b auf dem Abschnitt des Substrats außerhalb des Bereichs ausgebildet ist, in dem die Luftströmung mit dem Heizwiderstand 3 in Kontakt gelangt, kann eine Erwärmung des vom Temperatursensor 4b gemessenen Luftstroms durch den Heizwiderstand 3 vermieden werden, so daß die Lufttemperatur vom Temperatursensor 4b korrekt erfaßt wird.
3 ist eine Schnittansicht des Luftmassenmessers gemäß der ersten Ausführung der Erfindung. In 3 ist das in 1 gezeigte Meßelement 1 in einem Luftmassenmesser installiert. Genauer ist der mit dem Meßelement 1 ausgerüstete Luftmassenmesser in einem Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors für Kraftfahrzeuge angebracht, um die angesaugte Luftmasse zu messen.
Der Luftmassenmesser gemäß der ersten Ausführung der Erfindung enthält das Meßelement 1, ein Gehäuseteil 12 und eine externe Schaltung 13. Das Meßelement 1 ist in einem Innenrohr 11 innerhalb eines Luftansaugrohrs 10 angeordnet. Die externe Schaltung 13 ist über das Gehäuseteil 12 an eine Anschlußelektrode 8 des Meßelements 1 elektrisch angeschlossen. Während die angesaugte Luftmasse normalerweise in Richtung der durch einen Pfeil angezeigten Luftströmung 9 strömt, kann sie in bestimmten Zuständen des Verbrennungsmotors auch in der entgegengesetzten Richtung strömen (Rückwärtsströmung).
4 ist eine vergrößerte Ansicht des Meßelements 1 und des Gehäuseteils 12 nach 3. 5 ist eine Schnittansicht längs der Linie B-B' des Meßelements nach 4. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, ist das Meßelement 1 am Unterstützungsabschnitt 2a des Substrats 2 durch das Gehäuseteil 12 unterstützt, so daß zwei Seiten sowohl des Temperaturkompensationswiderstandes 4a als auch des zweiten Temperatursensors 4b der Luftströmung 9 ausgesetzt sein können. Weiterhin ist am Gehäuseteil 12 die externe Schaltung 13 befestigt, die eine Anschlußelektrode 14 und eine Signalverarbeitungsschaltung (einschließlich einer Operationsschaltung und einer Steuerschaltung, die später beschrieben werden) enthält.
Das Meßelement 1 und die externe Schaltung 13, d. h. die Anschlußelektroden 8 (8a bis 8h) und 14, sind durch Drahtbonden über Golddrähte miteinander elektrisch verbunden. Der erste Temperatursensor 5, die Golddrähte 15, die Elektrodenanschlüsse 8 und 14 und die externe Schaltung 13 sind durch das Schutzgehäuse 12a dicht eingekapselt und geschützt, um einen direkten Kontakt mit der Luft zu vermeiden. Daher kann die Temperatur des Substrats 2 unabhängig von der Einwirkung der Luftströmung 9 korrekt gemessen werden. Die Änderung der durch den ersten Temperatursensor 5 gemessenen Temperatur aufgrund der Wärmezufuhr von der Luftströmung kann somit unterdrückt werden.
Was das installierte Meßelement 1 betrifft, so sind die obere Fläche und die untere Fläche des Luftraums 6 durch den Isolierfilm 7a bzw. eine Abdeckplatte 12b (die vom Gehäuseteil 12 getrennt oder in diesen integriert ist) gegenüber der Luftströmung vollständig isoliert, wie aus den 2 und 5 hervorgeht. Da der Luftmassenmesser gemäß dieser Ausführung der Erfindung einen Luftraum besitzt, der im Unterschied zum Stand der Technik nicht zur Luftströmung hin geöffnet ist, kann sich in diesem Luftraum Staub, der für die Messung der Luftmasse ein Problem darstellt, niemals ansammeln. Daher kann die Luftmasse mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Nun wird mit Bezug auf die 6 bis 10 die Funktionsweise dieser ersten Ausführung der Erfindung beschrieben.
6 ist ein Blockschaltplan, der die Schaltung des Luftmassenmessers gemäß der Erfindung zeigt, genauer zeigt er den Luftmassenmesser 24 der ersten Ausführung. Der Luftmassenmesser gemäß der zweiten Ausführung und gemäß der dritten Ausführung, die später beschrieben werden, besitzt die gleiche Schaltungskonfiguration wie in 6 gezeigt.
Der Luftmassenmesser 24 enthält das in 1 gezeigte Meßelement 1 sowie die externe Schaltung 13. Die externe Schaltung 13 enthält eine Operationsschaltung 13a zum Liefern eines elektrischen Stroms an das Meßelement 1 und zum Erfassen eines die Luftmasse angebenden Signals, eine Steuerschaltung 13b mit einer Eingangsschaltung für die Eingabe des Luftmassensignals vom Meßelement 1 über einen A/D-Umsetzer, einer Zentraleinheit (CPU) zum Berechnen und Verarbeiten des Luftmassensignals und einer Ausgangsschaltung zum Ausgeben der Verarbeitungsergebnisse, sowie einen Speicher 13c zum vorhergehenden Speichern von Daten zum Kompensieren der Luftmasse (d. h. des Luftmassensignals), die anhand der Substrattemperatur (z. B. der Temperatur des Unterstützungsabschnitts 2a), die vom ersten Temperatursensor 5 erfaßt wird, und/oder anhand der Lufttemperatur (z. B. der Ansauglufttemperatur), die vom zweiten Temperatursensor 4b erfaßt wird, bestimmt wird.
7 zeigt einen Schaltplan einer Schaltung zum Messen der Luftmasse, die im Luftmassenmesser gemäß der ersten Ausführung der Erfindung verwendet wird. Genauer zeigt 7 eine Brückenschaltung zum Messen der Luftmasse, die den Heizwiderstand 3, den Temperaturkompensationswiderstand 4a und einen Teil der Operationsschaltung 13a enthält. Die Operationsschaltung 13a enthält einen Differenzverstärker 16, einen Transistor 17, eine Stromquelle 18 und Widerstände 19a und 19b. 8 ist ein Schaltplan einer Schaltung zum Messen der Temperatur, die in dem Luftmassenmesser gemäß der ersten Ausführung der Erfindung verwendet wird. Genauer zeigt 8 eine Meßschaltung, die den ersten Temperatursensor 5, den zweiten Temperatursensor 4b und einen Teil der Operationsschaltung 13a enthält.
9 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen einem Abschnitt des in 1 gezeigten Meßelements und der Temperaturverteilung längs der Linie B-B' des Meßelements zeigt. Genauer sind im oberen Abschnitt von 9 die Temperaturverteilungen im Meßelement 1, im Gehäuseteil 12 und in der externen Schaltung 13 gezeigt. Die 10A und 10B zeigen Graphen zur Erläuterung einer beispielhaften Substrattemperatur-Korrektur bzw. einer beispielhaften Lufttemperatur-Korrektur gemäß der Erfindung. Genauer zeigt 10A eine Luftmassen-Unterstützungsabschnittemperatur-Kennlinie des Luftmassenmessers 24, während 10B eine Luftmassen-Ansauglufttemperatur-Kennlinie des Luftmassenmessers 24 zeigt.
Nun wird die Funktionsweise des Luftmassenmessers gemäß der ersten Ausführung der Erfindung beschrieben. Die Luftmasse wird folgendermaßen gemessen: in der in 7 gezeigten Brückenschaltung ist der Widerstandswert jedes der Widerstände 19a und 19b so gesetzt, daß die Temperatur (Widerstandswert) des Heizwiderstandes 3, der sich räumlich im wesentlichen in der Mitte des Meßelements 1 befindet, um einen vorgegebenen Wert (z. B. 150 °C) höher als die Temperatur (Widerstandswert) des Temperaturkompensationswiderstandes 4a, die der Lufttemperatur entspricht, werden kann. Wenn die Temperatur des Heizwiderstandes 3 niedriger als der gesetzte Wert ist, tritt zwischen dem elektrischen Potential A und dem elektrischen Potential B in der Mitte der Brückenschaltung eine Potentialdifferenz auf. Im Ergebnis wird ein Transistor 17 durch ein Ausgangssignal C des Differenzverstärkers 16 auf Durchlaß geschaltet, so daß der Heizstrom in den Heizwiderstand 3 fließt. Wenn die Temperatur des Heizwiderstandes 3 den gesetzten Wert erreicht, wird der Tran sistor 17 durch das Ausgangssignal C des Differenzverstärkers 16 gesperrt, so daß der Heizstrom unterbrochen wird. Daher wird eine Rückkopplungsregelung ausgeführt, so daß die Temperatur des Heizwiderstandes 3 auf dem gesetzten Wert gehalten werden kann. Das elektrische Potential am Punkt A, durch den der Heizstrom fließt, wird an die Steuerschaltung 13b als ein die Luftmasse angebendes Signal ausgegeben.
Die Temperatur der Ansaugluft (die Lufttemperatur) und die Temperatur des Unterstützungsabschnitts (Substrattemperatur) werden folgendermaßen gemessen. Wie in 8 gezeigt ist, wird an den ersten Temperatursensor 5, der zwischen dem Heizwiderstand 3 und der An-schlußelektrode 8 ausgebildet ist, und an den zweiten Temperatursensor 4b, der im oberen Abschnitt des Meßelements 1 ausgebildet ist, eine Referenzspannung (Vref) angelegt. Anschlußspannungen D und E der Temperatursensoren werden an die Steuerschaltung 13b als Lufttemperatur (Ta) bzw. als Substrattemperatur (Tw) ausgegeben.
In dieser Ausführung wird für den ersten Temperatursensor 5 und für den zweiten Temperatursensor 4b der gleiche Metallfilm aus Platin wie für den Heizwiderstand 3 und für den Temperaturkompensationswiderstand 4a verwendet. Da die Temperatur zum elektrischen Widerstand in einem derartigen Metallfilm proportional ist, kann die Temperatur anhand der Anschlußspannungen der ersten und zweiten Temperatursensoren gemessen werden. Obwohl in der Schaltung nach 8 die Referenzspannung Vref verwendet wird, kann anstelle der Spannungsquelle eine Konstantstromquelle verwendet werden. Obwohl in dieser Ausführung der gleiche Metallfilm aus Platin wie für den Heizwiderstand 3 und für den Temperaturkompensationswiderstand 4a verwendet wird, kann als erster Temperatursensor 5 und als zweiter Temperatursensor 4a auch ein Halbleitertempe ratursensor wie etwa ein Thermistor, eine Diode, ein Transistor und dergleichen verwendet werden. Mit anderen Worten, obwohl in dieser Ausführung für den Heizwiderstand 3 und für den Temperaturkompensationswiderstand 4a im Hinblick auf eine einfache Herstellung der gleiche Widerstandssensor-Typ verwendet wird (Sensoren, deren Dünnfilm aus dem gleichen Material und mittels des gleichen Prozesses hergestellt wird), können irgendwelche Halbleitertemperatursensoren, die aus dem gleichen Material mittels des gleichen Prozesses als Thermistor, als Diode, als Transistor und dergleichen gebildet sind, ebenfalls verwendet werden.
Da die Temperaturen des Ansaugrohrs 10 und des Gehäuseteils 12, die in 3 gezeigt sind, aufgrund der Wärme vom Verbrennungsmotor etwa eines Kraftfahrzeugs ansteigen, besteht die Gefahr, daß die Wärme an das Meßelement 1 übertragen wird, so daß ein Meßfehler hervorgerufen wird, d. h., daß die Temperaturkennlinie verfälscht wird. Der obere Teil von 9 zeigt die Temperaturverteilungen am Meßelement 1, am Gehäuseteil 12 und an der externen Schaltung 13, wenn die Temperatur des Gehäuseteils 12, das das Meßelement 1 unterstützt, ansteigt.
Wie aus 9 weiterhin hervorgeht, wird die vom Verbrennungsmotor abgegebene Wärme vom Gehäuseteil 12 an die externe Schaltung 13 und an die Anschlußelektrode 8 des Meßelements 1, an den ersten Temperatursensor 5, an den Heizwiderstand 3, an den Temperaturkompensationswiderstand 4a, an den zweiten Temperatursensor 4b und dergleichen übertragen. Daher wird Wärme unerwünscht an die Konfigurationselemente des Luftmassenmessers wie etwa an den Heizwiderstand 3 und an den Temperaturkompensationswiderstand 4b übertragen, was auf die Meßgenauigkeit der Luftmasse eine nachteilige Auswirkung hat.
Weiterhin kann die Wärme von der externen Schaltung 13 selbst auf die Meßgenauigkeit der Luftmasse eine nachteilige Wirkung haben. Um die Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie, die für die obenerwähnte nachteilige Wirkung von Bedeutung ist, zu verbessern, erfolgt die Korrektur der Substrattemperatur in bezug auf die Luftmasse unter Verwendung des Meßelements 1, in dem der erste Temperatursensor 5 zwischen den Heizwiderstand 3 und der Anschlußelektrode 8 ausgebildet ist. Der erste Temperatursensor 5 ist zwischen dem Heizwiderstand 3 und der Anschlußelektrode 8 oder am Unterstützungsabschnitt 2a des Substrats oder in der Umgebung des Heizwiderstandes 3 (oder in einem Meßelement mit anderer Konfiguration: in der Umgebung des Temperaturkompensationswiderstandes 4a) gebildet. Die Luftmasse wird unter Verwendung der erfaßten Temperatur vom ersten Temperatursensor 5 und unter Verwendung der Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie korrigiert.
Mit anderen Worten, der Substrattemperatursensor oder der erste Temperatursensor zur Erfassung der typischen Temperatur (z. B. der Substrattemperatur, der Temperatur des Substratabschnitts usw.) wird

(1) am Unterstützungsabschnitt 2a (dem Abschnitt des Meßelements, an dem es an einem weiteren Konfigurationselement befestigt ist) oder
(2) an einem Abschnitt zwischen dem Unterstützungsabschnitt 2a und dem Heizwiderstand oder
(3) in der Umgebung des Heizwiderstandes 3

Außer dem Heizwiderstand sind als Element zur Messung der Luftmasse, auf die sich eine unerwünschte Wärmeübertragung nachteilig auswirkt, der Temperaturkompensationswiderstand und ein Temperaturerfassungswiderstand, der später beschrieben wird, vorhanden. Daher kann der Heizwiderstand durch den Temperaturkompensationswiderstand oder durch den Temperaturerfassungswiderstand ersetzt sein.
10A zeigt eine Luftmassen-Unterstützungsabschnittemperatur-Kennlinie des Luftmassenmessers 24. Auf der Abszisse ist die Luftmasse (Q) aufgetragen, während auf der Ordinate der Meßfehler (ΔQ/Q) aufgetragen ist, wobei der Referenzwert bei der Standard-Substrattemperatur von 25 °C gesetzt ist. Im Stand der Technik, in dem keine Kompensation der Substrattemperatur erfolgt, kann bei geringer Luftmasse ein Fehler von ungefähr 10 % auftreten, wenn die Substrattemperatur (Tw) 80 °C beträgt. In der Erfindung kann die Substrattemperatur (Tw) bei Verwendung des Meßelements 1, in dem der erste Temperatursensor 5 zwischen dem Heizwiderstand 3 und der Anschlußelektrode 8 ausgebildet ist, kompensiert werden. Da ferner die Luftmasse (Q), die vom Heizwiderstand 3 gemessen wird, als Signal in die Steuerschaltung 13b eingegeben wird, kann die Luftmasse in bezug auf die Substrattemperatur (oder die Unterstützungsabschnittemperatur) durch Auslesen von Kompensationsdaten für die Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie, die im Speicher 13c im voraus gespeichert worden sind, und durch Verarbeiten der Kompensationsdaten durch die CPU der Steuerschaltung kompensiert werden.
Durch Ausführen der Substrattemperatur-Kompensation gemäß der Erfindung ist es möglich, den Fehler der Luftmasse zu beseitigen, d. h. eine Anpassung an die Standard-Substrattemperatur von 25 °C vorzunehmen.
Die Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie, die jedem einzelnen Luftmassenmesser eigentümlich ist, kann im voraus gespeichert werden, ferner kann die Luftmasse in bezug auf die Substrattemperatur kompensiert werden. Hierbei können die gemessene Luftmasse (Q), die Substrattemperatur (Tw) und die Kompensationswerte in einem Kennfeld oder als Fehlerapproximationsfunktion im voraus gespeichert werden. Die Kompensation der Lufttemperatur (oder der Ansauglufttemperatur) wird nun erläutert. Im zuvor beschriebenen Stand der Technik wird die Änderung der Ansauglufttemperatur lediglich durch eine Brückenschaltung kompensiert, die aus einem Temperaturkompensationswiderstand 4a und einem Heizwiderstand 20 konstruiert ist. Im Stand der Technik werden temperaturbedingte Änderungen der physikalischen Eigenschaften der Luft, d. h. der Dichte, der dynamischen Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit nicht betrachtet. Daher kann keine geeignete Luftmassen-Lufttemperatur-Kennlinie erhalten werden.
Die durchgezogene Linie in 10B stellt eine Luftmassen-Ansauglufttemperatur-Kennlinie im Stand der Technik dar, in dem keine Lufttemperaturkompensation erfolgt. Wie oben angegeben worden ist, ist auf der Abszisse die Luftmasse (Q) aufgetragen, während auf der Ordinate der Meßfehler (ΔQ/Q) aufgetragen ist, bei dem der Referenzwert für eine Substrattemperatur von 25 °C gesetzt ist.
Bei einer niedrigen Lufttemperatur (Ta) von beispielsweise –30 °C tritt im Bereich geringer Luftmasse ein negativer Fehler auf, während im Bereich hoher Luftmasse ein positiver Fehler auftritt; bei hoher Temperatur (z. B. 80 °C) zeigt der Luftmassenfehler ein umgekehrtes Verhalten. Da andererseits die Lufttemperatur (Ta) durch den zweiten Temperatursensor gemessen werden kann und die Luftmasse (Q), die durch den Heizwiderstand 3 gemessen wird, erfindungsgemäß in die Steuerschaltung 13b eingegeben wird, kann die Luftmasse in bezug auf die Substrattemperatur (oder die Unterstützungsabschnitt-Temperatur) kompensiert werden, indem die Kompensationsdaten für die Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie nach 10A, die im Speicher 13c im voraus gespeichert worden sind, ausgelesen werden und durch die CPU der Steuerschaltung verarbeitet werden.
Durch Anwenden der Substrattemperaturkompensation gemäß der Erfindung kann der Fehler der Luftmasse beseitigt werden, d. h. an die Standard-Substrattemperatur von 25 °C angepaßt werden. Die Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie, die jedem einzelnen Luftmassenmesser eigentümlich ist, kann im voraus gespeichert werden, so daß die Luftmasse in bezug auf die Substrattemperatur kompensiert werden kann. Die gemessene Luftmasse (Q), die Substrattemperatur (Tw) und die Kompensationswerte können in einem Kennfeld oder als Fehlerapproximationsfunktion im voraus gespeichert werden. Obwohl zur Messung der Lufttemperatur (Ta) in dieser Ausführung der hierzu vorgesehene zweite Temperatursensor 4b verwendet wird, kann die Lufttemperatur auch anhand der Änderung des Widerstandswertes des Temperaturkompensationswiderstandes 4a in der CPU der Steuerschaltung 13b und ohne Verwendung des zweiten Temperatursensors 4b gemessen werden.
Nun wird ein Meßelement gemäß einer zweiten Ausführung und ein damit ausgerüsteter Luftmassenmesser gemäß einer zweiten Ausführung erläutert.
11 ist eine Draufsicht eines Meßelements für einen Luftmassenmesser gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung. 12 ist ein Schaltplan einer Schaltung zum Messen einer Luftmasse, die in dem Luftmassenmesser gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung verwendet wird. Die Schaltung nach 12 ist eine Operationsschaltung, die eine Brückenschaltung aus dem Heizwiderstand 20 und dem Temperaturkompensationswiderstand 4a enthält. 13 ist ein weiterer Schaltplan einer Schaltung zum Messen einer Luftmasse, die in dem Luftmassenmesser gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung verwendet wird. Die Schaltung von 13 ist eine Ausgangsschaltung, die eine Brückenschaltung aus der Operationsschaltung 13a und den Temperaturerfassungswiderständen 21a und 21b enthält, welche stromaufseitig bzw. stromabseitig vom Heizwiderstand 20 angeordnet sind.
Der Unterschied zwischen dem Meßelement gemäß der ersten Ausführung und dem Meßelement gemäß der zweiten Ausführung ist der folgende: In der ersten Ausführung wird ein direkt beheiztes Meßelement verwendet, indem ein Heizstrom, der in den Heizwiderstand 3 fließt, als das die Luftmasse angebende Signal verwendet. In der zweiten Ausführung werden hingegen die Luftmasse und die Richtung der Luftströmung anhand der Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturerfassungswiderständen 21a und 21b bestimmt, welche stromaufseitig bzw. stromabseitig vom Heizwiderstand 20 angeordnet sind. Daher handelt es sich hierbei um den gleichen Typ wie im Stand der Technik, der in 16 dargestellt ist.
Nun wird die Funktionsweise des Luftmassenmessers gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung beschrieben. Die Luftmasse wird folgendermaßen gemessen: In der in 12 gezeigten Brückenschaltung wird die Temperatur des Heizwiderstandes 20 in der Weise gesetzt, daß sie um einen vorgegebenen Wert höher als die Temperatur des Temperaturkompensationswiderstandes 4a wird. Die elektri sche Potentialdifferenz zwischen einem Punkt F und einem Punkt G der Brückenschaltung, die die Temperaturerfassungswiderstände 21a und 21b enthält, welche stromaufseitig bzw. stromabseitig vom Heizwiderstand 20 angeordnet sind, wird durch einen Differenzverstärker 16a verstärkt. Die Richtung der Luftströmung (die dem Vorzeichen einer Spannung an einem Punkt H entspricht) und das Luftmassensignal (das dem Absolutwert der Spannung am Punkt H entspricht) werden an die Steuerschaltung 13b ausgegeben.
Da der erste Temperatursensor 5 und der zweite Temperatursensor 4b auf dem Meßelement 1 in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführung ausgebildet sind und da die Substrattemperatur (Tw) und die Lufttemperatur (Ta) in die Steuerschaltung 13b eingegeben werden, kann die Luftmasse in bezug auf die Substrattemperatur und die Lufttemperatur kompensiert werden, indem die Kompensationsdaten für die Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie und für die Luftmassen-Lufttemperatur-Kennlinie, die im voraus im Speicher 13c gespeichert worden sind, ausgelesen und durch die CPU der Steuerschaltung verarbeitet werden.
Die Temperatur der Ansaugluft (die Lufttemperatur) und die Temperatur des Unterstützungsabschnitts (die Substrattemperatur) werden von den entsprechenden Sensoren als Lufttemperatur (Ta) bzw. als Substrattemperatur (Tw) in die Steuerschaltung 13b eingegeben.
Nun werden ein Meßelement gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung und ein damit ausgerüsteter Luftmassenmesser gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung erläutert.
14 ist eine Draufsicht eines Meßelements für den Luftmassenmesser gemäß der dritten Ausführung der Erfin dung. 15 ist ein Schaltplan einer Schaltung zum Messen der Luftmasse, die in dem Luftmassenmesser gemäß der dritten Ausführung der Erfindung verwendet wird. Die Schaltung umfaßt eine Operationsschaltung, die einen Heizwiderstand 20, den Temperaturkompensationswiderstand 4a und einen Temperaturerfassungswiderstand 21a enthält.
Während in der ersten Ausführung ein direkt geheiztes Meßelement verwendet wird, wird in der dritten Ausführung ein indirekt geheiztes Meßelement verwendet, bei dem die Temperatur des Heizwiderstandes 20 durch den in der Nähe des Heizwiderstandes 20 angeordneten Temperaturerfassungswiderstand 21a erfaßt wird.
Da der erste Temperatursensor 5 und der zweite Temperatursensor 4b am Meßelement 1 in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführung ausgebildet sind und da die Substrattemperatur (Tw) und die Lufttemperatur (Ta) in die Steuerschaltung 13b eingegeben werden, kann die Luftmasse in bezug auf die Substrattemperatur und in bezug auf die Lufttemperatur kompensiert werden, indem die Kompensationsdaten für die Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie und für die Luftmassen-Lufttemperatur-Kennlinie, die im Speicher 13c gespeichert sind, ausgelesen und durch die CPU der Steuerschaltung verarbeitet werden, wie dies auch in der vorangehenden Ausführung der Fall ist.
Oben sind drei Ausführungen der Erfindung erläutert worden. Auch in einem Fall, in dem ein Luftmassen-Erfassungssystem anderen Typs verwendet wird, in dem der erste Temperatursensor 5 und der zweite Temperatursensor 4b auf dem Meßelement 1 ausgebildet sind, kann die Luftmasse folgendermaßen kompensiert werden:
Die Substrattemperatur (Tw) vom ersten Temperatursensor 5, der zwischen dem Heizwiderstand 3 und der Anschlußelektrode 8 ausgebildet ist, und die Lufttemperatur (Ta) vom zweiten Temperatursensor 4b (oder dem Temperaturerfassungswiderstand 4a) werden in die Steuerschaltung 13b eingegeben. Die von der Luftmassen-Substrattemperatur-Kennlinie und von der Luftmassen-Lufttemperatur-Kennlinie erhaltenen Kompensationsdaten sind im Speicher 13c im voraus gespeichert worden. Diese Daten werden ausgelesen und in der CPU der Steuerschaltung 13b wie in den vorangehenden Ausführungen verarbeitet.
Nun wird mit Bezug auf die 1 und 2 ein konkretes Beispiel der Herstellung eines Meßelements für einen Luftmassenmesser erläutert. Als Isolierfilm 7a werden mittels eines CVD-Verfahrens auf dem aus einem Siliciumhalbleiter bestehenden Substrat 2 Siliciumoxid (SiO₂), Siliciumnitrid (SiN) oder dergleichen mit einer Dicke von 5 μm ausgebildet. Dann werden auf diesem Substrat 2 mittels eines Katodenzerstäubungsverfahrens der Heizwiderstand 3, der Temperaturerfassungswiderstand 4a, der zweite Temperatursensor 4b und der erste Temperatursensor 5 aus Platin mit einer Dicke von 0,2 μm ausgebildet. Anschließend wird mittels einer herkömmlichen photolithographischen Ätztechnik ein Photoresistlack mit einer vorgegebenen Form ausgebildet. Danach wird durch ein Ionenfräsverfahren (iron-milling method) Platin in einem bestimmten Muster aufgebracht.
Nachdem die Anschlußelektrode 8 durch ein Goldplattierungsverfahren ausgebildet worden ist, wird auf den Abschnitten neben der Anschlußelektrode 8 ein Isolierfilm 7b mit einer Dicke von 0,5 μm als Schutzfilm ausgebildet.
Schließlich wird der Luftraum 6 beginnend bei der hinteren Fläche des Siliciumsubstrats 2 durch eine Maske aus Siliciumoxid (SiO₂) hindurch durch anisotropes Ätzen ausgebildet, woraufhin das fertige Meßelement 1 durch Zerschneiden in Chips erhalten wird.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf erläuternde Ausführungen beschrieben worden ist, stellt diese Beschreibung keinerlei Beschränkung dar. Dem Fachmann werden bei Bezugnahme auf diese Beschreibung viele verschiedene Abwandlungen und Kombinationen der erläuternden Ausführungen sowie weitere Ausführungen deutlich. Es ist daher beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen oder Ausführungen umfassen.

Claims

Messelement für einen Luftmassenmesser mit – einem Lufttemperatursensor (4b) zum Messen einer Lufttemperatur einer Luftströmung (9), – einem Substrat (2), auf dem ein Heizwiderstand (3) zum Messen einer Luftströmungsmasse der Luftströmung (9) und der Lufttemperatursensor (4b) vorgesehen sind, und – einem Gehäuse (12, 12a), durch das das Substrat (2) festgelegt ist, wobei der Lufttemperatursensor (4b) und der Heizwiderstand (3) in der Luftströmung (9) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) ein Temperatursensor (5) zum Messen einer Substrattemperatur vorgesehen ist, wobei der Temperatursensor (5) innerhalb des Gehäuses (12, 12a) und außerhalb der Luftströmung (9) angeordnet ist und die Substrattemperatur zur Korrektur der gemessenen Luftströmungsmasse verwendet wird.
Messelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (5) die Wärme erfasst, die von einem Verbrennungsmotor und/oder von einer Auswerteschaltung (13) abgegeben und an den Heizwiderstand (3) übertragen wird.
Messelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (5) und der Lufttemperatursensor (4b) das gleiche Material wie der Heizwiderstand (3) aufweisen.
Messelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (5) und der Lufttemperatursensor (4b) unter Verwendung von Halbleitern wie einem Thermistor, einer Diode oder einem Transistor gebildet sind.
Luftmassenmesser mit – einem Messelement (1), das einen auf einem Substrat (2) angeordneten Heizwiderstand (3) zum Messen einer Luftströmung (9) enthält, – einer Operationsschaltung (13a) zum Liefern eines Stroms an das Messelement (1) und zum Erfassen eines die Luftströmung (9) angebenden Signals, – einer Steuerschaltung (13b) zum Berechnen einer Luftströmungsmasse auf der Grundlage des die Luftströmung (9) angebenden Signals, – einem Temperatursensor (5) auf dem Substrat (2) zur Erfassung einer Substrattemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Speicher (13c) zum Speichern von Kompensationsdaten für eine Luftströmungsmassen-Substrattemperatur-Kennlinie vorgesehen ist, wobei die Steuerschaltung (13b) die Luftströmungsmasse unter Verwendung der Kompensationsdaten und der vom Temperatursensor (5) erhaltenen Temperatur kompensiert.
Luftmassenmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (5) durch ein Gehäuse (12, 12a) bedeckt ist, um zu verhindern, dass er mit der Luftströmung (9) in direkten Kontakt gelangt.
Luftmassenmesser nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Lufttemperatursensor (4b) zum Erfassen der Lufttemperatur, der auf dem Substrat (2) außerhalb der mit dem Heizwiderstand (3) in Kontakt gelangenden Luftströmung (9) ausgebildet ist.